你可能很難將小小的納米發(fā)電機(jī)和質(zhì)譜儀關(guān)聯(lián)起來，但聰明的科學(xué)家們怎么能放過任何一個(gè)解決問題的機(jī)會?我們先來一小波關(guān)于質(zhì)譜儀的科普：
質(zhì)譜儀主要進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)分析，可以準(zhǔn)確測定物質(zhì)的分子量以及根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)分析。
分析時(shí)首先要將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，把離子按質(zhì)荷比大小排列成譜，這就是質(zhì)譜。然后利用不同離子的質(zhì)荷比的不同，就能將不同分子分開啦。
那么問題來了，如何將分子離子化呢?簡單的說，可以通過失去或者捕獲電荷的方式生產(chǎn)力子，例如：電子發(fā)射、質(zhì)子化或去質(zhì)子化的方式。
但是這個(gè)步驟并不容易，首先效率很低，非常低，如果利用傳統(tǒng)的高壓電源，99%的能量是被浪費(fèi)掉的，那都是錢啊!!!更重要的是，目前所有的離子化方法都無法對離子數(shù)量進(jìn)行精確地控制，也就是說，精度不高。這就尷尬了!
摩擦納米發(fā)電機(jī)有一個(gè)很重要的特性，它可以實(shí)現(xiàn)固定電荷量的高壓輸出。也就是說，如果能將它與質(zhì)譜儀結(jié)合，不僅僅能夠準(zhǔn)確控制離子數(shù)量提高精度，設(shè)備的耗能也會大大降低，儀器可以小型化，進(jìn)而應(yīng)用于航天和軍事等領(lǐng)域。
說起來容易，但解決這個(gè)問題，需要國際化的頂尖團(tuán)隊(duì)。在佐治亞理工學(xué)院、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和 FacundoFernández 教授共同指導(dǎo)下，李安寅博士和訾云龍博士組成的合作團(tuán)隊(duì)，用摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)驅(qū)動(dòng)離子源，實(shí)現(xiàn)了離子源在電荷數(shù)量、正負(fù)極性、信號長短等諸多方面的精確控制，這項(xiàng)工作發(fā)表在 Nature Nanotechonlogy 上，思路之巧妙，控制之精確，請看下文!
首先，他們利用摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)將電噴霧離子化和等離子體放電離子化。由TENG提供的固定電荷量可以實(shí)現(xiàn)對離子化過程前所未有的精確控制，可以進(jìn)行納庫精度(nanoColoumb)的可控離子產(chǎn)生。
另外樣品消耗也大大減小，通過納米發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，離子脈沖的持續(xù)時(shí)間、頻率、帶電性都可以得到有效控制，這樣就能將樣品消耗降到最小。
與傳統(tǒng)高電壓技術(shù)相比，由于納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電荷很少，避免了質(zhì)譜分析中DC高電壓下常見的電暈放電現(xiàn)象，首次實(shí)現(xiàn)了超高電壓(5-9千伏)納電噴霧(nanoESI)。
這篇 Nature Nanotechonlogy 對工作進(jìn)行了非常詳細(xì)的介紹，以下是簡單的圖文導(dǎo)讀：
圖1. 離子噴霧槍圖片
摩擦納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的離子源用于分析極其微量的化學(xué)和生物樣品，其精度可以達(dá)到幾百個(gè)分子。
圖2. 通過 TENG實(shí)現(xiàn)離子化示意圖。
a)實(shí)現(xiàn)接觸-分離式摩擦發(fā)電機(jī)(CS)的力學(xué)圖示。
b) 獨(dú)立滑動(dòng)式摩擦發(fā)電機(jī)(SF)的力學(xué)圖式。
黃色：Cu電極層
藍(lán)色：FEP層( ?uorinatedethylene propylene)
紅色箭頭：摩擦發(fā)電機(jī)電極的移動(dòng)方向
脈沖：電子向離子源移動(dòng)方向(e?,I)
尖針：納米電霧發(fā)射槍
垂直方塊：用于接受電子束的鋼板，電流值可以用皮安電流表測得(圖中的“A”)
c).納米電子發(fā)射槍的暗場圖像可以看到摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)射的羽毛狀電子束，長度單位：1毫米
d).在等效電路中，TENG用電容器(C1)和其他原件來表示(左虛線框)。nanoESI發(fā)射槍等效于電容器(C2)，可以按設(shè)定值發(fā)射出電荷，用右虛線框表示。發(fā)出的電荷(產(chǎn)生的離子)穿過發(fā)射槍和質(zhì)譜儀(或皮安電流表A)之間的間隙。
另外，CS-TENG電極(a)接在一側(cè)，可以在接觸位置重設(shè)靜電狀態(tài)，圖d中用開關(guān)CS表示。
圖3. TENG對納米電子噴霧的離子化實(shí)現(xiàn)精確控制
a)代表TENGs控制離子束過程VOC -QSC線代表TENGs提供一定電荷后的電壓-電荷關(guān)系。當(dāng)納電噴霧接上時(shí)，只有當(dāng)電壓達(dá)到特定電壓Vonset，電荷才會傳遞到這個(gè)離子源(Cion source)
接著，大量電荷以電噴霧的離子化形式釋放，直到TENG電壓降到設(shè)定值以下，用綠線Qpulse表示
b)時(shí)間-電荷圖描述了單CS-TENG驅(qū)動(dòng)的納米噴霧發(fā)射器的離子化脈沖。四條線是使用了不同電阻的結(jié)果( 0 GΩ(黑), 0.5GΩ (藍(lán)),1 GΩ(紅) 和 1.25 GΩ(綠))，用于調(diào)控電荷。綠線對應(yīng)一種設(shè)定條件，約50%電荷并能變成電子噴霧。
c)長時(shí)或短時(shí)的總離子時(shí)間記錄圖 。使用 SF-TENG得到按需產(chǎn)生的高頻脈沖: >5 s (黑), 600 ms (藍(lán)), 300 ms (紅) and 60 ms (綠)。
d) 一次實(shí)驗(yàn)中交變極性噴霧脈沖(紅+綠)的總離子時(shí)間記錄。in one experiment and 另一實(shí)驗(yàn)中校正的單極脈沖(黑)。
納米發(fā)電機(jī)可以幫助質(zhì)譜儀提高在低濃度下的電噴霧離子源的靈敏度，并將樣品的利用率最大化，而且，該納米發(fā)電機(jī)已經(jīng)成功檢測各種有機(jī)小分子和生物大分子，并達(dá)到了可以檢測到幾百個(gè)分子的靈敏度。此外，納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流離子噴霧還可以用于在絕緣表面進(jìn)行沉積離子材料。
其實(shí)，該研究的意義并非如此，這項(xiàng)突破對摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)也同樣具有開創(chuàng)性意義，這是第一次將納米發(fā)電機(jī)用于設(shè)備儀器中，為以后類似的研究提供了思路。TENG取代了質(zhì)譜設(shè)備上原有的離子噴霧電源，為小型質(zhì)譜設(shè)備實(shí)現(xiàn)便攜化并在極端條件下(例如軍事或航天上)應(yīng)用提供了可能，為了開展空間實(shí)驗(yàn)提供了極大地便利。
